Solar RRL:石墨相氮化碳基低维异质结在光催化中的应用

太阳能的转化与利用为解决环境污染和能源短缺,满足日益增长的能源需求和更低的二氧化碳排放要求提供重要契机。通过光催化分解水产氢和CO2还原可以将太阳能转化为更有利用价值的化学能,被认为是取代化石燃料的重要途径。众所周知,量子效应导致低维材料的性能与其块状材料有很大的不同,同时,低维材料具有较大的比表面积,使其表面有更多的活性位点。通过构建异质结结构,可以设计出高质量的界面和完美匹配的能带结构,促进电子空穴快速分离并增强载流子传输能力。石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种廉价的非金属光催化剂,具有良好的化学稳定性、适合的能带结构、易制备(三聚氰胺、二氰二胺、或者尿素等前驱体通过简单高温缩聚即可获得)等优势,已成为近年来光催化的热门材料。然而,高电荷复合率和低载流子迁移效率以及有限的吸光光谱范围严重限制了g-C3N4的光催化性能。针对以上问题,已经有大量基于g-C3N4的低维异质结构的研究工作,围绕拓展吸收光光谱范围、提高电子空穴分离能力以及增强载流子传输效率三方面展开研究,从而改善水分解、二氧化碳还原和污染物降解的光催化性能。

近日,西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室沈少华教授、日本名古屋大学可持续发展材料与系统研究所Minoru Osada教授和美国加州大学伯克利分校机械工程系Samuel S Mao教授合作,梳理了g-C3N4与金属氧化物、氮化物、硫化合物、碳化物、碳材料等耦合构建低维异质结构,总结了g-C3N4基低维异质结构在光催化应用领域的研究进展,以及未来工作面临的机遇和挑战。首先,总结了基于g-C3N4基的低维异质结构的光催化剂的类型,包括:I型异质结、II型异质结、p-n结、Z-scheme异质结、肖特基结和表面等离子体共振等结构。其次,概述了掺杂、缺陷工程、能带结构调控等对g-C3N4基低维材料拓宽可见光吸收光谱范围、提高载流子迁移速率和电子空穴对分离能力以及光催化活性的影响。然后,阐述了基于g-C3N4低维异质在光催化分解水产O2和H2、二氧化碳还原及污染物降解等光催化氧化还原反应的最新研究进展。最后,对g-C3N4基低维异质结光催化材料发展面临的挑战和机遇作了总结和展望。作者相信该综述可以为后续低维异质结光催化材料的设计和改性提供一些新的思路。

相关论文以“Graphitic Carbon Nitride-Based Low Dimensional Heterostructures for Photocatalytic Applications ”为题在线发表在Solar RRL上(DOI:10.1002/solr.201900435)。